積分式直流數(shù)字電壓表(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上積分式直流數(shù)字電壓表摘要:51系列單片機具有兩個以上16通道定時器(TIME0和TIME1)，每個通道可選擇為輸入捕獲、輸出捕獲和PWM方式來測量脈寬，8路8位A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)需大于8位的A/D轉(zhuǎn)換時，可以用片內(nèi)16位的定時器外接運放、比較器和多路開關(guān)實現(xiàn)雙積分A/D轉(zhuǎn)換。TL082是JFETINPUT運放；LM358作為比較器；MC4066是多路開關(guān)。51單片機P1口的P10、P11、P12作為輸出，控制MC4066多路開關(guān)的輸入選擇；INT0作為中斷輸入口，捕捉LM358比較器的輸出電平跳變。關(guān)鍵字：雙積分A/D，輸出比較，輸入捕捉，分辨率  一、 系統(tǒng)

2、方案論證與比較為了完成上面的設(shè)計要求，將整個積分式直流數(shù)字萬用表的設(shè)計分為四部分：積分、過零比較部分，控制部分，顯示部分和供電部分。原理圖如圖1.1所示。圖G-1-11、單片機的選擇方案一：采用ATMEL公司生產(chǎn)的8位單片機AT89C51作為雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的核心，此次單片機價格相對便宜，容易購買。此設(shè)計中控制功能比較多，因此需要用到的輸入輸出口比較多， AT89C51足可以滿足控制要求，且選用此單片機不需外接擴展電路，因此節(jié)省了資源，降低了成本；并且可以達到很高的精度和實現(xiàn)此次設(shè)計的各種要求。方案二：采用MOTOROLA公司生產(chǎn)的8位單片機MC68HC908GP32作為雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的

3、核心，該單片機只具有兩個輸入輸出口，雖然也能滿足以上各種要求，但需要外接擴展電路，這不但在使用上增加了難度而且也增加了設(shè)計成本，浪費了資源。使電路邊的比較復(fù)雜，在實際調(diào)試中也增加了難度。鑒于以上分析，擬選擇方案一。 2、積分器、過零比較器電路方案一：該方案的系統(tǒng)框圖如圖1.2所示。運放為LM311、比較器為LM339、多路開關(guān)為MC14052。MC68HC908GP32單片機的PTD5、PTD4作為輸出控制MC14052多路開關(guān)的輸入選擇。PTD7作為輸入口，捕捉LM339比較器的輸出跳變。C為積分電容，常取0.1F左右的聚丙烯電容,R為積分電阻,可取100K左右,Vi為輸入電壓,-E為負的基

4、準電壓。 此電路只對輸入信號進行了一次信號放大，也就是只進行了一次積分。此電路，積分波形不明顯，不容易在示波器上調(diào)試出來。 方案二：該方案的系統(tǒng)原理圖如圖1.3所示。C1為積分電容，常取0.22F左右的聚丙烯電容，R2為積分電阻，可取500k左右，U2A為積分運放，U2A、C1、R2構(gòu)成了積分器，U2B是過零檢測運放。VIN為輸入電壓，VREF為基準電壓，AGND為轉(zhuǎn)換器的參考零點。VREF和參考零點以R9、R10、R11分壓產(chǎn)生。TL082是JFETINPUT運放；LM358作為比較器；MC4066是多路開關(guān)。此電路有自己單獨的基準電壓，并且它的基準電壓根據(jù)測量的不同范圍的電壓，可

5、以進行調(diào)節(jié)，因此更能保證測量精度，并且還擁有了自動調(diào)零功能。電路中進行了兩次放大，因此它的積分波形更加明顯，容易在示波器上進行調(diào)試。 鑒于上述分析，選擇方案二。圖G-1-2 圖E-1-3 圖G-1-43、顯示電路 方案一：采用液晶顯示。液晶顯示體積和質(zhì)量小、功耗底等優(yōu)點，液晶可以顯示不同的內(nèi)容，顯示內(nèi)容豐富、美觀、使用方便。但它的驅(qū)動電路很復(fù)雜，必須軟硬件結(jié)合才能使用，并且驅(qū)動電路的編程也很復(fù)雜，還有就是液晶的價格比較昂貴。方案二：采用LED靜態(tài)顯示。LED的價格合適，技術(shù)成熟，是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中顯示部分的首選器件。靜態(tài)顯示穩(wěn)定，節(jié)約了CPU的時間，提高了工作效率。LED靜態(tài)顯示是讓每個數(shù)碼管

6、同時顯示，使用的元件多，連線多，電路復(fù)雜，需要占用很多的硬件資源，每個數(shù)碼管都需要8根線，給安裝帶來了很大的困難。方案三：采用LED動態(tài)顯示。動態(tài)顯示最大的優(yōu)點就是節(jié)約了硬件資源，此次設(shè)計要求的精度比較高，至少要用到4為數(shù)碼管。使用的元器件少，引線少，電路簡單。鑒于以上分析，采用方案三。二、系統(tǒng)的具體設(shè)計與實現(xiàn)1、系統(tǒng)的總體設(shè)計方案采用AT89C51單片機作為電路的核心部分，用單片機來控制顯示電路，并與前面的積分器和過零比較器組成雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路，對時間進行積分。使得時間與輸入的模擬電壓成正比，因為是雙積分電路，因此在進行一次積分以后使輸入的模擬電壓與顯示的數(shù)值成正比。單片機主要是對積分的

7、時間進行控制，從而使得輸入的模擬電壓與輸出的數(shù)值成正比。2、系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計和主要電路參數(shù)的計算（1）積分器和過零比較器的設(shè)計與計算如圖G-1-3、G-1-4，此電路是基于雙積分A/D轉(zhuǎn)換的電路原理，圖G-2-2為原理圖，G-2-1為積分波形圖。通過對輸入電壓的積分，使時間和輸入的模擬電壓成正比。此電路經(jīng)過兩次積分將Vi轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時間間隔。轉(zhuǎn)換開始時t=0，Vi通過電阻和電容充電，積分器輸出電壓負向線性變化，積分器對Vi在0到t1時間積分。當(dāng)t=t1時，V01（1）=-,式中Vi為輸入的模擬電壓。當(dāng)S與參考電壓接通時，通過R對C方向充電，此時的電壓V01開始逐漸上升。經(jīng)t1-t2時間間隔

8、后V01=0。V01(t2)=V01(t1)+ 所以 T2=t2-t1= 因為VREF和t1為定值，所以T2和Vi成正比，即將Vi變換為與它成正比的時間間隔。在T2階段，將CP（周期為Tc）送入單片機，由以上分析可見，單片機獲得的數(shù)字量正比與輸入模擬電壓。圖G-2-1積分波形圖 圖G-2-2 （2）顯示電路的設(shè)計 數(shù)碼管的段選和位選接到單片機的I/O口，通過軟件編程實現(xiàn)顯示輸入的模擬電壓。此設(shè)計中要求的顯示范圍：0-19999，因此用五位數(shù)碼管做顯示，使用共陰極數(shù)碼管，接到端口時為了驅(qū)動數(shù)碼管，需要接上拉電阻，以提高單片機的帶負載能力。單片機通過P1.0、P1.1、P1.2三個端口獲得外部信息

9、，通過單片機的內(nèi)部程序讓其轉(zhuǎn)化為與輸入電壓成正比了數(shù)字值并顯示出來，從而完成A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字顯示的功能。（3）單片機的設(shè)計單片機通過控制多路開關(guān)，實現(xiàn)對輸入的模擬電壓的讀入，通過兩級的放大之后，把信號送到LM339，通過零電壓比較LM339，發(fā)出中斷信號，然后通過內(nèi)部的程序?qū)r間進行積分，使得輸入的模擬電壓和數(shù)字顯示信號一一對應(yīng)。實現(xiàn)了雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的功能。通過內(nèi)部程序的優(yōu)化可以使數(shù)字萬用表的精度達到設(shè)計所要求的范圍內(nèi)；擁有萬用表的自動調(diào)零功能。（4）供電系統(tǒng)的設(shè)計此電路中并沒有對供電系統(tǒng)做明確的要求，但是為了達到數(shù)字萬用表的精度盡量使電源穩(wěn)定，采三端集成穩(wěn)壓（7805，7905等）電源供

10、電，由于用到了集成運放還需要12V的電壓。對于濾波電容的選擇，要考慮三點：整流管的壓降；三端穩(wěn)壓管最小允許壓降Ud；電網(wǎng)波動。三、軟件設(shè)計控制和D/A轉(zhuǎn)換主要由單片機來完成，主要完成雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的功能，量程的轉(zhuǎn)換功能，數(shù)碼管顯示的功能。軟件通過單片機的中斷來實現(xiàn)對時間的積分，然后送到數(shù)碼管的接口。調(diào)節(jié)中斷程序，可以調(diào)節(jié)測量誤差和測量分辨率，實現(xiàn)高精度的A/D轉(zhuǎn)換器。P0通過控制模擬開關(guān)，對輸入的模擬電壓進行積分，得到相應(yīng)的時間間隔。在軟件編程時，采用C語言，C語言程序結(jié)構(gòu)清晰、使用方便；使程序更加簡潔，更加提高了程序的可靠性，便于維護和調(diào)試。主程序軟件流程圖見附圖G-3-1。四、實驗測試1、測試設(shè)備四位半數(shù)字萬用表示波器2、測試結(jié)果與分析（1）量程為200mV 表G-4-1 輸入值次數(shù)10 mV50 mV100 mV150 mV110.350.1100.4150.6210.150.4100.3150.4310.250.4100.2150.5（2）量程為2V 表G-4-2 輸入值次數(shù)0.5V1V1.5V1.9V10.5451.0261.4831.88420.4910.9901.5061.95030.5081.0011.5161.894由以上數(shù)據(jù)可知，此萬用表基本能達到此次設(shè)計的要求。 五、參考文獻 1 黃瑞祥、畢